Φυσικοί από το Jyväskylä και το Πανεπιστήμιο Aalto στη Φινλανδία δημιούργησαν με επιτυχία έναν δισδιάστατο τοπολογικό μονωτή κρυστάλλου, σηματοδοτώντας την πρώτη πειραματική υλοποίηση ενός κβαντικού υλικού που οι επιστήμονες είχαν προβλέψει για περισσότερο από μια δεκαετία. Μέχρι τώρα, οι προσπάθειες για την κατασκευή του είχαν καθυστερήσει λόγω των δυσκολιών στην κατασκευή των σωστών υλικών.
Η ανακάλυψη έγινε από τον αναπληρωτή καθηγητή Kjellbeik Shaulianu, σε συνεργασία με ερευνητές του Πανεπιστημίου Aalto, συμπεριλαμβανομένου του καθηγητή Peter Lilgeroth και του καθηγητή José Lado. Η ομάδα δημιούργησε το υλικό αναπτύσσοντας μια ατομικά λεπτή μεμβράνη που αποτελείται από δύο μόνο στρώματα τελλουριδίου κασσίτερου (SnTe) πάνω από ένα δισελενίδιο του νιοβίου (NbSe).2) υπόστρωμα.
Οι ατομικά λεπτοί κρύσταλλοι αποκαλύπτουν μοναδικές κβαντικές καταστάσεις
Για να εξετάσουν τις ιδιότητες του υλικού, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επιταξία μοριακής δέσμης με μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας χαμηλής θερμοκρασίας, η οποία τους επέτρεψε να διερευνήσουν την ηλεκτρονική του συμπεριφορά με ακρίβεια ατομικού επιπέδου.
Οι μετρήσεις τους αποκάλυψαν ζεύγη καταστάσεων αγώγιμων ακμών, ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό των τοπολογικών κρυσταλλικών μονωτών. Αυτές οι ειδικές διαδρομές επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν κατά μήκος των άκρων του υλικού και προστατεύονται από τη συμμετρία του κρυσταλλικού πλέγματος.
Το στέλεχος ελέγχει τις κβαντικές ιδιότητες του υλικού
Οι καταστάσεις αγώγιμων ακμών εμφανίζονται μέσα σε ένα μεγάλο ηλεκτρονικό χάσμα ζώνης άνω των 0,2 ηλεκτρον βολτ (eV). Η ομάδα διαπίστωσε ότι το φιλμ τελλουριδίου του κασσιτέρου συμπιέζεται από το υποκείμενο στρώμα, δημιουργώντας τάση που είναι απαραίτητη για τη σταθεροποίηση της τοπολογικής κατάστασης του υλικού.
Ακόμη πιο σημαντικό, οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτές οι ακραίες καταστάσεις μπορούν να προσαρμοστούν αλλάζοντας την τάση, προσφέροντας έναν πρακτικό τρόπο συντονισμού της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς του υλικού για μελλοντικές τεχνολογίες.
Δυνατότητα για μελλοντικά κβαντικά ηλεκτρονικά
Οι πρώτες αρχές των κβαντομηχανικών υπολογισμών επιβεβαίωσαν ότι οι παρατηρούμενες ακραίες καταστάσεις έχουν τοπολογική προέλευση. Η ομάδα εξέτασε επίσης πώς αλληλεπιδρούν οι γειτονικές ακραίες καταστάσεις, διαπιστώνοντας ότι τα επίπεδα ενέργειας τους μετατοπίζονται λόγω ενός συνδυασμού ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων και κβαντικής σήραγγας.
Επειδή το υλικό έχει σχετικά μεγάλο διάκενο ζώνης, οι τοπολογικές του ιδιότητες αναμένεται να παραμένουν σταθερές ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό το καθιστά μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για την εξερεύνηση δισδιάστατων τοπολογικών καταστάσεων με δυνατότητα ρύθμισης καταπόνησης και μπορεί να υποστηρίξει μελλοντικές προόδους στα ηλεκτρονικά και συσκευές νανοκλίμακας που βασίζονται σε σπιν.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Επικοινωνία με τη φύση.
